Гамма-локатор и его применение в ядерной медицине.

Радионуклидная γ - диагностика
•
Одна из основных задач – локализация источника испускания γквантов в биологическом объекте.
•
γ-диагностика используется в поисках локальных образований
опухолей (уплотнений). РФП (γ-источник) вводится в организм и
концентрируется в области злокачественных образований. Детектор γквантов позволяет локализовать место образования.
•
Один из таких возможных приборов может быть выполнен в виде
детектора для регистрации γ-квантов.
•
Для указанных задач необходим детектор γ-квантов в области энергий
60 ~ 600 кэВ.
Таблица 1. Параметры сцинтилляторов.
Сцинтиллятор
Световыход
относительно
световыхода
[NaI(TI)]
Эфф.Z
t, ns
λmax,
nm
ρ, г/см3
NaI(Tl)
1
50
230
415
3,67
LYSO
1,2
63
40
428
7,3-7,4
LSO
До 1
66
40
440
7,41
BGO
0,1
75
300
480
7,13
LaBr3Ce
1,7
51
60
350
2,3
Проанализировав, таким образом, сцинтилляционные кристаллы,
можно сказать, что наиболее полно, указанным выше требованиям,
удовлетворяют кристаллы LYSO, LaBr3Ce.
SiPM – кремниевый фотоприёмник.
•
Основные параметры, по которым были отобраны твердотельные
фотодетекторы:
1.
Спектральная характеристика близка к спектру излучающего
сцинтиллятора;
Высокая квантовая эффективность ~ 25 - 30% ;
Коэффициент усиления ~ 10^5 – 10^6;
Напряжение питания от 20 до 100 В.;
Габариты: 3х3мм;
Нечувствительность к магнитным полям;
Уровень шумов 1 МГц (порог 0,5 фотоэлектрон), 0,12МГц (порог 1,5
фотоэлектрон)
2.
3.
4.
5.
6.
7.
В данной работе, использовались фотоприёмники (рис.1)и
сцинтилляторы (рис.2) со следующими спектральными характеристиками:
Квантовая эффективность, %.
35
Интенсивность
30
2,0
25
5
1
1,5
20
3
2
15
3
1,0
1
2
10
2
0,5
1
5
4
0
200
300
400
500
600
700
800
0,0
900
300
Длина волны, нм.
Рис.1. Спектральные характеристики
фотоприёмников.
1 – SiPM Hamamatsu,2 – SiPM MAPD-3,
3 – ФЭУ Hamamatsu.
350
400
450
500
550
600
650
Длина волны, нм.
Рис.2. Спектральные
характеристики сцинтилляторов.
1 – NaI, 2 – LSO, 3 – LYSO,
4 – BGO, 5 - LaBr3:Ce.
700
Таблица 2. Параметры фотоприёников.
Колличество
ячеек,
pixl/mm2
Фотоприёник
Uсм,V
Ig, mkA
λ, nm
Эффективность,
%
ФЭУ Hamamatsu
15
2,91
200-640
13-20
-
SiPM Hamamatsu
(3x3) mm2
72,4
1,46
320-900
22-30
3600
SiPM MAD-3
Zecotek (3x3) mm2
90,5
0,18
350-790
16-28
15000
Экспериментальная установка.
•
На рис.3. приведена схема экспериментальной установки, с помощью
которой проводились измерения.
Рис.3. SiPM- фотодиод; сцинтиллятор – LYSO, LaBr3Се;
Att.-аттенюатор; У.- усилитель; Л.Р.- линейный
разветвитель; Л.З.- линия задержки;Д.- дискриминатор;
QDC-ЗЦП (Lecroy2249).
В качестве источников гамма – излучения использовались
стандартные лабораторные источники 137Cs и 241Am. Характеристики
источников приведены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристики источников.
Период
Источни
полук
распад
а
Энергия
Еγ,, кэВ
Интенсивность Сопутствующее
излучения, %
излучение
Активность,
расп./с
137Сs
30 лет
661,6
85
γ,β
~ 105
241Am
432,2
года
60
36
γ, β
~ 105
99мТс
6 часов
140
80
γ
~ 3÷10*108
Полученные экспериментальные данные.
Спектры SiPM Hamamatsu 3х3;
Сцинтиллятор LaBr3:Ce ;
Сцинтиллятор LYSO ;
1800
2500
1600
1400
2000
1200
N
(662кэВ)
ER=8%
Ист. 137Cs (662кэВ)
ER=13%
1000
N
Ист.
1500
137Сs
800
1000
600
400
500
200
0
0
0
100
200
300
400
500
2500
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
1800
Ch
600
700
800
900
1000
Ch
1600
2000
1400
1200
1500
N
Ист.
1000
(60kэВ)
ER=28%
N
1000
241Am
Ист. 241Am (60kэВ)
ER=44%
800
600
400
500
200
0
0
0
100
200
300
400
500
Ch
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
Ch
Рис.4. Экспериментальные спектры.
600
700
800
900
1000
Таблица 3. Результаты экспериментальных измерений.
кристалл LaBr3:Ce
Фотоумножитель
137Cs
241Am
ER,%
N1/N2(фотопик)
ER,%
N1/N2(фотопик)
ФЭУ Hamamatsu
6
2700
20
5451
SiPM Hamamatsu
9
1200
27
3367
SiPM MAPD-3 (Zecotek)
16
1070
45
414
SiPM МИФИ
13
2803
44
2718
SiPM MPPC Hamamatsu
8
3700
28
770
кристалл LYSO
Фотоумножитель
137Cs
241Am
ER,%
N1/N2(фотопик)
ER,%
N1/N2(фотопик)
ФЭУ Hamamatsu
15
14
42
647
SiPM MPPC Hamamatsu
14
8
50
740
SiPM MAPD-3 (Zecotek)
16
16
52
605
SiPM МИФИ
17
11
56
1023
SiPM MPPC Hamamatsu
13
13
44
977
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГАММА-ЛОКАТОРА.
Для работы с реальными короткоживущими
медицинскими источниками разработан и
изготовлен компактный прототип прибора
представленный на рис.5. С его помощью
проведены
измерения
при
различном
расположении
детектора
относительно
коллимированного радиоактивного источника.
Результаты измерений приведены на рис.6,7.
Время набора 5 секунд с использованием
коллиматора диаметром 2мм.
Рис.5. Прототип гамма –
локатора. Блок электроники с
индикацией, детектор.
Счёт
550
a
500
450
400
350
b
300
250
200
150
100
50
c
0
0
1
2
3 Расстояние,
4
5 см. 6
7
8
9
Рис.6. Зависимость количества счета от расстояния между детектором(Д) и γ –
источником (Cs137)(Р) a – воздух, b – с использованием поглотителя (вода),
d - фон.
Счёт
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
0,0
0,5
1,0
1,5
Расстояние, см.
2,0
2,5
Рис.7. Зависимость количества счета от смещения - γ – источника (Cs137)(Р) от
центра детектора.
Выводы:
Кристалл LaBr3:(Ce) является наиболее оптимальным сцинтиллятором
для регистрации γ-квантов в диапазоне энергий от 60 до 600 кэВ.
SiPM Hamamatsu (new) 3x3 mm2 - оптимальным фотоприёмником.
Энергетическое разрешение (ист. Cs137(662кэВ), ER=8%; ист. Am241(60
кэВ), ER=28%).
Отношение сигнал/фон ~ 3000 (в области фотопика 662кэВ).
LYSO имеет энергетическое разрешение (ист. Cs137, ER=13%; ист.
Am241(60кэВ), ER=44%).
Отношение сигнал/фон ~ 20 (в области фотопика 662кэВ ).